用于稳定核电站中的堆芯熔毁的系统的制作方法

1.本发明涉及一种用于稳定核电站中的堆芯熔毁的系统，其包括：
[0002]-反应堆压力壳，其容纳反应堆堆芯；
[0003]-安全壳，其限定位于所述反应堆压力壳下方的腔室；
[0004]-冷却剂供应装置，其被配置为在检测到堆芯熔毁的情况下将冷却剂引入到腔室中；
[0005]-吸收材料，其适于吸收被引入到腔室中的冷却剂。


背景技术：

[0006]
在堆芯熔毁期间，反应堆压力壳可能发生故障，导致堆芯的熔融材料从反应堆压力壳漏出到反应堆压力壳下方的由安全壳限定的腔室中。
[0007]
因此，在堆芯熔毁期间，一个重要的目标是保持安全壳的完整性，以防止或至少限制和监测对环境的放射性释放。
[0008]
为此目的，已知在检测到堆芯熔毁的情况下用水淹没安全壳的各部分，以稳定并永久冷却在反应堆压力壳发生故障后可能漏到安全壳中的熔融材料。
[0009]
然而，如果熔融材料与水接触，则可能会导致水与熔融材料之间的高能相互作用。此时，特别是可能发生高能蒸汽爆炸，这可能导致安全壳失效和/或对处理堆芯熔毁来说非常重要的装置失效以及长期的后果。
[0010]
因此，本发明的目的是提供一种改进的系统，其用于在堆芯熔毁的情况下保持安全壳的完整性。


技术实现要素：

[0011]
根据本发明，该目的通过一种用于稳定核电站中的堆芯熔毁的系统来实现，其包括：
[0012]-反应堆压力壳，其容纳反应堆堆芯；
[0013]-安全壳，其限定位于反应堆压力壳下方的腔室；
[0014]-冷却剂供应装置，其被配置为在检测到堆芯熔毁的情况下将冷却剂引入到腔室中；
[0015]-吸收材料，其适于吸收被引入到腔室中的冷却剂。
[0016]
由此使得吸收材料适于在吸收冷却剂时膨胀。通过将冷却剂吸收在吸收材料中，根据本发明的系统尤其能够防止熔融材料与液体冷却剂之间的直接接触。由此，根据本发明的系统能够降低冷却剂与熔融材料之间发生高能相互作用的风险，特别是能够限制蒸汽爆炸的风险。同时，由于结合在吸收材料中的冷却剂相继从吸收材料的结构中释放，因此根据本发明的系统通过与热的熔融材料接触从而蒸发并释放到环境中而确保了冷却功能。
[0017]
特别是，来自反应堆压力壳的熔融材料通过与吸收材料接触而破碎。例如，从反应堆压力壳漏出的熔融射流在撞击浸透了冷却剂的吸收材料时破裂，并且组分溶解。对于本
发明，这种效果特别是通过浸透的吸收材料具有与冷却剂自身的机械阻力相比更高的机械阻力来实现的。
[0018]
根据优选实施方式，根据本发明的系统考虑所有技术上可行的组合包括以下特征中的一个或全部：
[0019]-吸收材料包括多个单独的颗粒，使得每个单独的颗粒适于在吸收冷却剂时膨胀；
[0020]-吸收材料在其干燥状态下是颗粒状或粉末状材料；
[0021]-吸收材料适于在吸收冷却剂时使其体积增加至少10倍；
[0022]-吸收材料适于吸收的冷却剂的体积是吸收材料在其干燥状态下的体积的10到500倍；
[0023]-吸收材料适于接受的冷却剂的质量是吸收材料在其干燥状态下的质量的至少5倍；
[0024]-冷却剂供应装置被配置为在检测到堆芯熔毁的情况下将预定体积的冷却剂引入到腔室中；
[0025]-吸收材料适于在其干燥状态下占据初始体积并且在预定体积的冷却剂被吸收到吸收材料中的膨胀状态下占据第二体积，第二体积是初始体积的至少10倍；
[0026]-吸收材料适于在1分钟到10小时的时间段内吸收预定体积的冷却剂；
[0027]-所述系统还包括容纳吸收材料的容器；
[0028]-容器是可密封的，优选是可气密密封的；
[0029]-所述系统还包括用于打开容器的打开机构，其中吸收材料适于在打开容器时流出容器；
[0030]-吸收材料被储存在容器中的保护气体气氛中，其中保护气体气氛适于保护吸收材料免受相对湿度大于70％的腔室气氛的影响；
[0031]-吸收材料适于承受每小时至少30戈瑞的辐射照射；
[0032]-所述系统被配置为执行稳定堆芯熔毁的方法，该方法包括：
[0033]-储存吸收材料的储存步骤；
[0034]-引入冷却剂的步骤，其中冷却剂供应装置将冷却剂、特别是预定量的冷却剂引入到腔室中；
[0035]-吸收步骤，其中吸收材料吸收冷却剂，吸收材料在所述冷却剂时膨胀；以及
[0036]-稳定步骤，其中吸收材料在堆芯熔毁期间与来自反应堆压力壳的熔融的材料接触。
附图说明
[0037]
现在将通过附图详细描述本发明的优选实施方式，其中：
[0038]-图1示出了具有根据本发明的用于稳定堆芯熔毁的系统的核电站的一部分的示意性剖视图；并且
[0039]-图2至图4示出了类似于图1的视图，其中示意性示出了使用根据本发明的系统的连续的堆芯熔毁稳定步骤。
具体实施方式
[0040]
图1至图4示出了核电站1的一部分，其具有用于堆芯熔毁稳定的系统2。
[0041]
系统2包括反应堆压力壳4、安全壳6、冷却剂供应装置8和吸收材料10。
[0042]
图1至图4示出了反应堆压力壳4和安全壳6的下部。
[0043]
反应堆压力壳4容纳反应堆堆芯12，其可以使用核燃料来执行已知的链式反应，以提供用于发电的热能。特别地，反应堆堆芯包括许多包含核燃料的燃料棒14。
[0044]
反应堆堆芯12自身是已知的并且将不在以下说明中详述。
[0045]
安全壳6环绕反应堆压力壳4。安全壳6限定了位于反应堆压力壳4下方的腔室16。腔室16例如在下方由安全壳6的底板20限制。腔室16向上延伸到反应堆压力壳4的下端部。
[0046]
在一个实施例中，腔室16在侧面由安全壳6的侧壁18限制。
[0047]
在一个实施例中(未被示出)，腔室16在侧面由位于安全壳6内部的侧壁限制。在该实施例中，安全壳6的侧壁18不具体对应于腔室16的侧壁。
[0048]
例如，腔室16的容积为50m3到2000m3。
[0049]
例如，腔室16形成反应堆坑或者特别是用于驱动控制棒以控制反应堆堆芯12中的反应的驱动腔室。
[0050]
冷却剂供应装置8被设置为在检测到堆芯熔毁的情况下将冷却剂26、特别是预定体积的冷却剂26引入到腔室16中。
[0051]
冷却剂供应装置8包括用于将冷却剂26供应到腔室16中的供给管线22以及用于控制腔室16中的冷却剂供应的控制装置25。
[0052]
在图中所示的例子中，冷却剂供应装置8特别是还包括位于供给管线22内部的关闭装置24。关闭装置24特别是具有其关闭供给管线并因此防止冷却剂通过供给管线22供应到腔室16中的关闭状态以及其允许冷却剂通过供给管线22供应到腔室16中的打开状态。在这个例子中，控制装置25特别是能够控制关闭装置24的状态。
[0053]
控制装置25特别是被设置为接收指示堆芯熔毁的信号，并且关闭装置24然后接收信号以控制通过供给管线22引入到腔室16中的冷却剂26、特别是预定体积的冷却剂26。这特别是在图2中示出。控制装置25特别是被设置为将关闭装置24从其关闭状态移动到其打开状态。
[0054]
控制装置25接收到的指示堆芯熔毁的信号特别是由核电站1的控制系统(未被示出)产生。例如，核电站1的控制系统被设置为以本身已知的方式检测堆芯熔毁。
[0055]
根据一个实施例，核电站1的控制系统特别是被设置为根据电站的特定情况(例如电站类型)和/或国家安全部门的要求发出堆芯熔毁的信号。
[0056]
例如，控制装置25被设置为通过测量反应堆堆芯的出口处的冷却剂温度来检测堆芯熔毁。根据一个实施例，核电站1的控制系统特别是被设置为在出口处记录的反应堆堆芯12的冷却剂的冷却剂温度高于650℃时发出堆芯熔毁的信号。
[0057]
冷却剂16特别是冷却液，尤其是水。根据替代的实施例，冷却剂16可以是适于冷却芯堆芯熔毁并确保堆芯材料的亚临界状态的任何冷却液。
[0058]
吸收材料10适于吸收被引入到腔室16中的冷却剂26并在吸收冷却剂26时膨胀。
[0059]
特别地，吸收材料10具有固相，而冷却剂26具有液相。
[0060]“吸收”应在化学意义上进行理解。例如，“吸收”表示冷却剂26、特别是冷却剂26的
分子被吸入到吸收材料10的固相中。例如，“吸收”表示将冷却剂26引入到孔洞中或将冷却剂26嵌入到吸收材料10的分子结构中。特别地，这不是指冷却剂26的分子积聚在吸收材料的表面上，这种积聚被称为“吸附”。
[0061]
特别地，吸收材料10在其干燥状态下可以占据初始体积(参见图1)并且在其膨胀状态下可以占据第二体积(参见图3)。
[0062]“干燥状态”是指吸收材料10的水含量与相对湿度低于70％的环境大气平衡的状态。在反应堆正常运行期间，吸收材料处于干燥状态。
[0063]“膨胀状态”对应于被引入到腔室16中的预定体积的冷却剂26被吸收到吸收材料10中、尤其是被完全吸收的状态。
[0064]
吸收材料10的化学组成特别是根据以下标准中的一项或多项来选择：吸收能力、体积增量、吸收速度、耐温性、耐辐射性。附加地或替代地，可以考虑以下标准中的一项或多项：耐酸/碱性、机械稳定性、冷却剂释放速率、使熔融材料破碎的能力、防止再临界，其中临界描述的是反应堆堆芯12的每单位时间产生的自由中子与通过吸收和泄漏消失的一样多的状态。
[0065]
关于吸收能力的标准，吸收材料10应能够完全吸收预定体积的冷却剂，特别是允许在膨胀状态下充分冷却熔融材料28。
[0066]
特别地，选择适于吸收体积为吸收材料10在其干燥状态下的体积的10到500倍的冷却剂26的吸收材料10。
[0067]
附加地或替代地，选择适于接受质量为吸收材料10在其干燥状态下的质量的至少5倍的冷却剂26的吸收材料10。
[0068]
关于体积增量标准，例如吸收材料10被选择成使得其体积因吸收冷却剂26而增加至少10倍，特别是为吸收材料10在其干燥状态下的体积的10到500倍。特别地，吸收材料10被选择成使得第二体积是初始体积的至少10倍。特别地，第二体积比初始体积大出10到500倍。
[0069]
附加地或替代地，吸收材料10可以被选择成使得其在吸收冷却剂26时根据递减的时间进程改变体积。例如，吸收材料10被成形为使得体积变化率在冷却剂26进行吸收的时间段的前10％期间最大。
[0070]
例如，关于吸收速度，吸收材料10被选择成使得被引入到腔室16中的预定体积的冷却剂26在1分钟到10小时的时间段内被吸收。
[0071]
关于抗辐射性，吸收材料10被选择成使得其能够承受每小时至少30戈瑞的辐射照射。
[0072]
关于耐温性，吸收材料10被选择成使得其能承受至少100℃的温度。
[0073]
可以根据需要组合吸收材料10的上述选择标准。
[0074]
吸收材料10可包含的合适的材料例如从有机材料(例如聚丙烯酸)、无机材料(例如膨润土)和/或复合材料(例如由一种或多种有机材料和一种或多种无机材料的混合物形成)中选择。
[0075]
例如，在复合材料的情况下，有机材料和无机材料的部分必须基于上述的一项或多项标准来选择。
[0076]
例如，吸收材料10包括交联极性聚合物。例如，这些聚合物形成为由不同比例的单
体丙烯酸和丙烯酰胺构成的共聚物。此外，例如，吸收材料10可以通过核交联剂制成非水溶性的。例如，吸收材料10通过表面后交联以化学方式形成最终结构，这对外部机械载荷产生特别有限的抗性。
[0077]“超吸收体(super-absorber)”尤其适合作为吸收材料10。
[0078]
优选地，如图1至图4所示，吸收材料10包括许多单独的颗粒34，其中每个单独的颗粒34适于吸收部分冷却剂26并同时膨胀。因此，吸收材料10的膨胀是其所包含的单独的颗粒34的膨胀引起的。在膨胀状态下，引入的冷却剂的整体体积优选被各个颗粒34吸收，使得各个颗粒34之间的空间充满气体并且基本上没有冷却剂。气体对应于形成安全壳6的气氛的气体，例如空气或氮气。
[0079]
例如，在比较图1、图2和图3时，这种特性变得可见。图1示出了处于干燥状态的单独的颗粒34。在图2中，一些颗粒34因吸收冷却剂26而膨胀，因此具有比干燥状态下更大的体积。图3示出了引入的全部冷却剂26被各个颗粒34吸收的状态，这使各个颗粒进入膨胀状态。
[0080]
例如，干燥状态下的每个单独的颗粒的最小直径为0.1mm到5mm。
[0081]
各个颗粒34优选在干燥状态下不相互连接。
[0082]
例如，每个单独的颗粒34是球形的。在另一个例子中，单独的颗粒34具有不规则形状。
[0083]
优选地，吸收材料10在其干燥状态下是颗粒状或粉末状，其中每个单独的颗粒34形成单个粒子或粉末颗粒。
[0084]
在图1至图4的实施例中，系统2还具有容纳吸收材料10的容器38。特别地，吸收材料10以干燥状态储存在容器38中。
[0085]
容器38特别是紧邻反应堆压力壳4。特别地，容器38位于安全壳6中。优选地，容器38位于腔室16中，特别是在反应堆压力壳4下方。容器38也可以位于其他合适的空间中。
[0086]
容器38具有关闭状态和打开状态。
[0087]
在关闭状态下，容器38被密封，特别是是被气密密封。“气密密封”表示容器38防止容器38内部与容器38外部的大气之间进行气体或液体交换。
[0088]
在打开状态下，容器38中的吸收材料10适于例如在重力作用下流出容器38。
[0089]
例如，容器38包括排放口和在关闭状态下密封该排放口的盖子。在打开状态下，盖子是打开的并允许吸收材料10通过排放口从容器38中释放。
[0090]
当容器38处于关闭状态时，吸收材料10在保护气体气氛40中储存在容器38中，其中保护气体气氛适于防止吸收材料10吸收水分，特别是大气湿气，例如来自安全壳6的湿气。保护气体例如是氮气或诸如氩气的惰性气体。特别地，保护气体防止材料10在储存在关闭状态的容器38中期间暴露于相对湿度大于70％的气氛中。
[0091]
特别地，容器38在反应堆正常运行期间处于其关闭状态。在这种状态下，吸收材料10特别是以干燥状态储存在容器38中。
[0092]“正常运行”是指反应堆压力壳4、特别是反应堆堆芯12在规定的运行温度范围内的温度下运行。
[0093]
在所示的例子中，系统2还包括用于打开容器38的打开机构42(特别是在图1中可见)。该打开机构42被设置为在打开机构接收到对应于堆芯熔毁的信号的情况下将容器38
移动到打开状态。
[0094]
例如，打开机构42具有电磁体44。在这个例子中，电磁体44被设置为只要送入适当的电流就通过在盖子上施加适当的密封力来保持容器38的盖子密封。如果针对电磁体44的电流被中断，则电磁体失去闭合力并且盖子例如通过弹性恢复元件(例如弹簧)的对应设置或通过盖子的自重而打开。通过备用电池维持电力供应，直到发生堆芯熔毁。
[0095]
容器38优选定位成使得在打开状态下从容器38漏出的吸收材料10进入到反应堆压力壳4下方的腔室16中。
[0096]
在膨胀状态下，吸收材料10优选在反应堆压力壳4下方延伸，如图3所示，使得产生的熔融射流30与吸收材料10接触并填充腔室16的一半以上的体积。
[0097]
在膨胀状态下，吸收材料10适于通过直接接触来冷却并破碎冲击的熔融射流30(参见图4)。例如，熔融射流30通过与吸收材料10接触而破裂，并且熔融材料28变硬。
[0098]
特别地，处于膨胀状态的吸收材料10适于在吸收材料10被熔融材料28加热时特别是以气态冷却剂32的形式(例如蒸汽)释放部分冷却剂26。
[0099]
特别地，处于膨胀状态的吸收材料10适于从吸收材料10的结构中相继释放结合在吸收材料10中的冷却剂26，并允许其通过与热的熔融材料28接触而蒸发。逸出的气态冷却剂32特别有助于熔融材料28的进一步破碎。
[0100]
下面描述用于稳定熔融材料的方法。
[0101]
该方法包括以下按序的步骤：储存步骤、引入冷却剂26的步骤、吸收步骤和稳定步骤。
[0102]
在储存步骤期间，反应堆正常运行。
[0103]
在储存步骤期间，储存吸收材料10。例如，将吸收材料10储存到安全壳6内。
[0104]
如图1所示，吸收材料10在储存步骤期间优选位于容器38中。容器38是密封的，特别是气密密封的。例如，打开机构42保持容器38密封。容器38中的吸收材料10处于其干燥状态。例如，其被储存在容器38中的保护气体气氛40中。
[0105]
在引入冷却剂26的阶段中，如图2所示，冷却剂供应装置8将冷却剂26、特别是预定体积的冷却剂引入到腔室16中。特别地，为此目的，控制装置打开冷却剂供应装置8的关闭装置24，使得冷却剂26流入腔室16。
[0106]
另外，在该步骤中，例如通过中断电磁体44的电流而打开容器38，使得在打开状态下从容器38流出的吸收材料10也到达腔室16。
[0107]
在检测到堆芯熔毁时、特别是在控制装置25接收到例如来自核电站1的控制装置的对应的信号时执行引入步骤。
[0108]
在吸收步骤期间，如图3所示，吸收材料10吸收冷却剂26。吸收材料10膨胀。
[0109]
在稳定步骤期间，如图4所示，离开反应堆容器的熔融材料28与膨胀的吸收材料接触。
[0110]
特别地，在该步骤期间，熔融射流30接触吸收材料10，其使熔融射流30破碎。吸收材料10通过直接接触而冷却熔融射流30的熔融材料28。特别地，当吸收材料10被熔融材料28加热时，吸收材料10特别是以气态冷却剂32的形式(例如蒸汽)释放吸收的一部分冷却剂28。
[0111]
例如，吸收材料10在放出冷却剂时体积减小，特别是如图4所示。
[0112]
熔融材料28通过吸收材料放出冷却剂32放出的热量而被稳定。
[0113]
通过将冷却剂26吸收在吸收材料10中，根据本发明的系统2尤其能够防止熔融材料28与液体冷却剂26之间的直接接触。由此，根据本发明的系统2能够降低冷却剂与熔融材料28之间发生高能相互作用的风险，特别是限制蒸汽爆炸的风险。
[0114]
同时，由于结合在吸收材料10中的冷却剂26相继从吸收材料10的结构中释放，因此根据本发明的系统通过与热的熔材料28接触从而蒸发并释放到环境中而确保了冷却功能。
[0115]
特别是，来自反应堆压力壳4的熔融材料28通过与膨胀的吸收材料10接触而破碎。
[0116]
例如，从反应堆压力壳4漏出的熔融射流30在撞击浸透了冷却剂26的吸收材料10时破裂并且组分溶解。对于本发明，这种效果特别是通过浸透的吸收材料10具有与冷却剂26自身的机械阻力相比更高的机械阻力来实现的。此外，吸收材料10特别是在其浸透状态下适合于使熔融射流30破裂，因为其在颗粒之间提供填充有气体的空间，该气体对应于腔室16的气氛，例如空气或氮气。